Elke winter reizen duizenden toeristen naar hooggelegen gebieden zoals Scandinavië, Canada en Alaska in de hoop het noorderlicht te zien. Vincent Ledvina, een noorderlichtgids en promovendus in ruimtefysica aan de Universiteit van Alaska Fairbanks, schat dat hij elk jaar 1000 mensen meeneemt op noorderlichttochten.
Sommigen vragen Ledvina hoe die schitterende lichtgordijnen ontstaan, en hij vertelt hen dat aurora's ontstaan wanneer hoogenergetische deeltjes uit de ruimte door de magnetosfeer van de aarde in de polaire atmosfeer worden geleid en daar in botsing komen met verschillende moleculen in de lucht. Ledvina zegt dat meer specifieke vragen moeilijk te beantwoorden zijn. “Soms vragen mensen wat de oorzaak is van de verschillende vormen van het noorderlicht, en het enige wat ik kan zeggen is: ‘wie weet?’”, zegt Ledvina.
Veel van wat we zien als noorderlicht in de buurt van de noordelijke en zuidelijke magnetische polen begint als plasmastromen in de magnetostaart van de aarde, het deel van de magnetosfeer dat zich als een windzak achter de aarde uitstrekt door de zonnewind. Om goed te begrijpen hoe processen die zich honderdduizenden kilometers verderop afspelen, specifieke auroraformaties in de atmosfeer creëren, moeten deeltjes en elektrische stromen die vanuit de magnetostaart binnenstromen worden gemeten in combinatie met orbitale aurora-beeldvorming. Dat is precies wat de Cross-scale Investigation of Earth's Magnetotail and Aurora (CINEMA)-missie van NASA beoogt te doen.
“Explosieve magnetosferische verschijnselen kunnen grote gevolgen hebben voor onze technologische systemen”, zegt Robyn Millan, hoogleraar natuurkunde en astronomie aan Dartmouth College en hoofdonderzoeker bij CINEMA. “We begrijpen fundamenteel niet wanneer de magnetostaart magnetische energie gaat vrijgeven en hoeveel impact dat kan hebben.” Millan, die haar carrière begon als onderzoeker aan het Space Sciences Laboratory (SSL) van UC Berkeley, waar ze onderzoek deed naar röntgenstraling die wordt uitgezonden door elektronen die de atmosfeer van de aarde binnenkomen, heeft als hoofdonderzoeker aan meerdere missies meegewerkt, maar CINEMA wordt haar meest complexe missie tot nu toe. De NASA-missie, die bestaat uit een constellatie van negen kleine satellieten, zal de eerste zijn die zich richt op teledetectie van de magnetostaart. Millan is van mening dat de metingen en beelden die CINEMA verzamelt, zullen leiden tot een beter begrip van de omstandigheden die substormen veroorzaken en hoe deze specifieke vormen van poollicht creëren.
De camera van CINEMA bouwt voort op tientallen jaren van verfijningen op het gebied van aurora-beeldvorming
Wanneer energetische deeltjes uit de zonnewind de naar de zon gerichte boegschok van de magnetosfeer raken, worden ze opgevangen door de magnetostaart, waar sommige terugkeren naar de aarde en een consistent plasma-convectiepatroon creëren dat bekend staat als de Dungey-cyclus. De energie die door die cyclus wordt opgebouwd, wordt vaak verstoord door explosieve magnetische gebeurtenissen die bekend staan als substormen, waardoor plasmastromen naar de aarde stromen en intense aurora's genereren. Ons begrip van substormen ontstond in de jaren vijftig en zestig, grotendeels dankzij metingen van aardse beelden van het hele noorderlicht en deeltjesmetingen door satellieten.
All-sky camera's maken gebruik van zeer groothoeklenzen om bijna 180 graden van de hemel van horizon tot horizon vast te leggen. Vroege modellen, die lange, monochrome belichtingen op film maakten, waren alleen gevoelig genoeg om algemene trends waar te nemen. Stephen Mende, onderzoeksfysicus bij SSL en plaatsvervangend instrumentleider en senior mentor van het aurora-imagerteam van CINEMA, hielp bij de ontwikkeling van enkele van de eerste all-sky camera's die werden gebruikt om specifieke golflengten van licht in beeld te brengen.
De waargenomen kleur van een aurora wordt bepaald door het type atmosferisch gas waarmee de botsende deeltjes in aanraking komen. Mende, die toen bij Lockheed Martin werkte, hielp bij het ontwerpen van een camera die het licht van een groothoeklens comprimeerde, het splitste om twee afzonderlijke beelden te creëren en elk beeld filterde om een andere kleur waar te nemen. Hierdoor kon het team het energieniveau afleiden van de deeltjes die de gefotografeerde aurora's veroorzaakten. Mende ontwierp later een digitaal beeldvormingssysteem voor de hele hemel dat werd gebruikt door NASA's Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms (THEMIS)-missie. THEMIS combineerde magnetische en deeltjesmetingen verzameld door vijf satellieten met beelden van het noorderlicht gemaakt door 21 camera's op de grond. THEMIS onthulde in grote lijnen hoe substormen werken, maar werd nog steeds beperkt door camera's op de grond, die geen beelden door wolken heen kunnen maken.
“Mensen weten al meer dan 50 jaar van het bestaan van substormen, maar we begrijpen ze nog steeds niet”, zegt Mende. “Het is belangrijk dat we leren hoe onze eigen aardse systemen werken.” Mende hoopte samen met een team van wetenschappers en ingenieurs bij SSL de eerdere beperkingen te overwinnen toen ze de camera ontwierpen die op elk van de negen CINEMA-ruimtevaartuigen zal worden geïnstalleerd. De camera van CINEMA zal een soortgelijke sensor gebruiken als een moderne digitale camera, maar het vastleggen van vage aurora's vanaf een satelliet die met een snelheid van ongeveer 7 kilometer per seconde beweegt, is een uitdagend vooruitzicht. De camera van CINEMA lost dit probleem op door meerdere korte belichtingen te maken, deze iets te verschuiven om de beweging van het ruimtevaartuig te compenseren en ze vervolgens te combineren tot één enkel beeld.
De alomtegenwoordige luchtgloed van de atmosfeer van de aarde vormde een andere uitdaging voor het beeldvormingsteam. Een van de golflengten die door luchtgloed wordt uitgezonden, is 557,7 nanometer (nm), wat ook de golflengte is van groene aurora's die worden geproduceerd door geëxciteerde atomaire zuurstof. Als de camera's op deze golflengte zouden worden afgestemd, zouden ze worden overspoeld door achtergrondruis. Daarom ontwierp het SSL-team een beeldvormingsinstrument dat zou worden afgestemd op 391,4 nm, een violette/ultraviolette gloed die wordt waargenomen in het noorderlicht dat wordt geproduceerd door geïoniseerde stikstof. Deze twee golflengten van het noorderlicht komen vaak tegelijkertijd voor, zodat elke golflengte kan worden gebruikt om dezelfde deeltjesinteracties te observeren.
“Het ontwikkelen van een beeldsimulatie die op realistische wijze rekening hield met optische vervorming, bewegingen van het ruimtevaartuig en ruis was een grote uitdaging”, zegt Claire Gasque, assistent-onderzoeker bij SSL en lid van het team dat zich bezighoudt met het vastleggen van beelden van het noorderlicht. “Het was een opluchting toen het noorderlicht duidelijk zichtbaar werd in onze gesimuleerde beelden. Dat gaf ons het vertrouwen dat de beeldcamera de specifieke vormen die we willen vastleggen, met succes zal kunnen vastleggen.”
CINEMA zal de magnetostaart van veraf meten
Het CINEMA-team zal zich richten op drie verschillende vormen van poollicht en proberen te bepalen hoe deze verband houden met de structuur van de magnetostaart. Een poolwaartse grensintensivering (PBI) is een plotselinge opheldering van de poolwaartse rand van een poollicht. Aangenomen wordt dat dit het eerste teken is van een magnetische reconnectie in de magnetostaart, een verschijnsel dat optreedt wanneer magnetische veldlijnen in de magnetosfeer in aanraking komen met tegengesteld gemagnetiseerd plasma uit de zonnewind.
De tweede vorm van poollicht die CINEMA zal bestuderen, is de zogeheten 'streamer', een lange poollichtboog die van noord naar zuid loopt, in tegenstelling tot de meer gebruikelijke oost-westformatie. De laatste vorm zijn aurorale kralen, die eruitzien als een gestippelde lijn van aurorale deeltjes, een beetje zoals kralen aan een ketting. Deze drie aurorale vormen, die met het blote oog te zien zijn, kunnen tekenen zijn van onzichtbare plasmastromen in de magnetostaart. Om daarachter te komen, zal CINEMA een teledetectietechniek gebruiken om de magnetische structuur van de verste uithoeken van de magnetostaart te monitoren.
De magnetometers van CINEMA zullen de elektrische stromen meten die tussen de magnetosfeer en de ionosfeer vloeien, en tegelijkertijd zullen deeltjesdetectoren de elektronen en ionen meten die vanuit de magnetostaart binnenstromen. De hoek van deze deeltjesstromen, vergeleken met de oriëntatie van het aardmagnetisch veld, zal de structuur van de magnetostaart langs dezelfde magnetische veldlijn onthullen, waardoor het CINEMA-team kan bestuderen hoe de magnetostaart verandert vóór explosieve gebeurtenissen zoals substormen. “Ik hoop dat we te weten komen of er een bepaalde frequentie in de plasmastroom is die garandeert dat er een streamer ontstaat”, zegt Yen-Jung Wu, assistent-onderzoeksfysicus bij SSL en instrumentleider voor de aurora-imager van CINEMA. “We moeten natuurlijk wel rekening houden met het feit dat de ionosfeer ook een rol kan spelen.” Het kan blijken dat lokale magnetische velden in de ionosfeer een grotere rol spelen bij het vormen van aurora's dan magnetosferische plasmastromen, hierover bestaat nog steeds onenigheid onder aurora-fysici. Door de nabijheid van CINEMA tot het plasma-systeem van de ionosfeer en magnetosfeer kan het gebied gedetailleerd worden bestudeerd en moet duidelijk worden welke magnetische structuren het belangrijkst zijn voor de vorming van aurora's.
CINEMA zal meer foto's van aurora's bevatten dan ooit tevoren
Iemand die om middernacht op de evenaar van de aarde staat, bevindt zich misschien wel direct onder een intense plasmastroom, maar de bijbehorende aurora zou niet op de evenaar verschijnen. De energie zou een magnetische veldlijn volgen naar de noord- of zuidpool, waar alle magnetische veldlijnen samenkomen in een zone die het poollichtovaal wordt genoemd. Elk CINEMA-ruimtevaartuig zal ongeveer 30 keer per dag door de nachtelijke aurorale ovaal vliegen. Hoewel THEMIS metingen verrichtte vanuit de magnetostaart zelf, was het gebied te groot voor vijf ruimtevaartuigen om een volledig beeld te krijgen van de plasmastromen daar. Vanuit een lage baan om de aarde kan de teledetectie van CINEMA bevindingen over de magnetostaart opleveren die die van de baanbrekende THEMIS-missie overtreffen.
In de eerste fase van de wetenschappelijke missie zullen de negen ruimtevaartuigen, die elkaar in een lijn volgen, observatie van de evolutie van de plasmastromen en het poollicht gedurende een periode van 45 minuten mogelijk maken. De reeks beelden zal dienen als een korte video met bijbehorende magnetische metingen voor elk frame. In de volgende fase zullen de ruimtevaartuigen een 3-bij-3 rasterformatie vormen, wat bredere ruimtelijke metingen en beelden mogelijk maakt. “We zullen in staat zijn om ongekende metingen te leveren waarmee de hele heliofysische gemeenschap allerlei soorten wetenschappelijk onderzoek kan doen”, zegt Millan. Ledvina is lid van die bredere gemeenschap die zal profiteren van de datasets van CINEMA: hij bestudeert aurorale kralen en substormen. Hij is ook adviseur voor het burgerwetenschappelijke deel van de CINEMA-missie, dat NASA zal evalueren voor opname tijdens het volgende belangrijke beslissingsmoment van de missie.
Het Multi-platform Observations from Volunteers: Ionospheric Experiments (MOVIE)-project zal samenwerken met aurora-jagers om aurora's vanaf de grond vast te leggen terwijl CINEMA-ruimtevaartuigen boven hen voorbijtrekken. Naast het verkrijgen van een andere invalshoek op specifieke aurora-evenementen, zullen deze vrijwilligersvideo's worden opgenomen met consumentencamera's die niet beperkt zijn tot een smalle golflengteband en die een alternatieve registratie van het gehele spectrum van zichtbaar licht zullen opleveren.
Ledvina gelooft dat een dergelijke samenwerking tussen wetenschappers en aurora-jagers een positieve spiraal kan creëren waar iedereen baat bij heeft. “Als aurora-jager ben ik altijd op zoek naar manieren om substormen te voorspellen op basis van zonnewindgegevens”, zegt Ledvina. “Hopelijk kan CINEMA daarbij helpen, want als de aurora's helemaal losgaan, is dat het mooiste deel van de show.” CINEMA zal naar verwachting niet eerder dan 2030 worden gelanceerd. Andere partners in de missie zijn Space Dynamics Laboratory, dat het instrument voor het vastleggen van beelden van het noorderlicht zal bouwen, en Blue Canyon Technologies, dat het ruimtevaartuig zal bouwen.
Bron: Phys.org
